Грант РНФ № 18-19-00273
Описание научных результатов 2022 года по проекту РНФ 22-29-01608
"Обоснование критериев перехода к разрушению по изменениям деформационных и акустических характеристик металлов"
Руководитель проекта, в.н.с. ИФПМ СО РАН, д.ф.-м.н. Баранникова Светлана Александровна
bsa@ispms.ru
Создание новых материалов, способных функционировать в разнообразных условиях, становится все более востребованным в условиях современного развития науки и техники. Микроструктура металлов и сплавов формируется в основном конечными этапами металлургического передела, а именно деформационной и термической обработкой. В связи с этим возникает необходимость создания систематизированной базы данных по физико-математическим моделям формирования деформационного отклика при пластической деформации металлов и сплавов. Важной особенностью изменения структурного состояния в процессе деформации метастабильных сплавов является образование γ→α' мартенсита. Повышение степени деформации и снижение температуры деформации увеличивают полноту мартенситного превращения и приводит к изменению механических свойств Fe-Cr-Ni сплавов.
Первая группа задач состояла в анализе влияния температуры 140 < T < 340 K на деформационный отклик поликристаллических образцов Fe-18%Cr-10%Ni сплава и стадийность диаграмм растяжения. Ось растяжения образцов была ориентирована вдоль направления прокатки. Эволюция микроструктуры с ростом деформации определяет напряжение течения и коэффициент деформационного упрочнения при заданной пластической деформации на диаграммах растяжения. Зависимость "напряжение-деформация" описывают эмпирическим уравнением Людвика -Холломонa, входящие константы которого определяются из графика в двойных логарифмических координатах "истинные напряжения - истинные деформации". Уравнении Людвигсона, учитывающее поправочные коэффициенты отклонения напряжения на стадиях малых деформаций, традиционно используется при описания пластической деформации сплавов из-за его простоты и удовлетворительной точности при комнатных и повышенных температурах (300 < T < 1023 К). Однако в области отрицательных температур наблюдаются значительные отклонения экспериментальных диаграмм растяжения от зависимостей, рассчитанных с помощью уравнения Людвигсона. Для достоверного описания зависимостей "напряжение - деформация" в уравнении Людвигсона определены поправочные коэффициенты, учитывающие объёмную долю мартенситной фазы. Магнитофазовый анализ образцов для определения объёмной доли фазы феррита проводили с помощью ферритометра. Изменение объёмной доли мартенсита с ростом общей деформации для разных температур 140 < T < 340 K анализировали с помощью кинетического уравнения, используемого в теории пластической деформации. Сравнительный анализ показал хорошее соответствие между экспериментальными и расчётными диаграммами растяжения Fe-Cr-Ni сплава как в области повышенных, так и отрицательных температур.
Вторая группа задач состояла в проверке методик измерения неоднородности пластической деформации в исследуемых материалах с помощью комплексов ALMEC и ALMEC-tv при разных температурах, и анализе закономерностей макроскопической неоднородности пластического течения при одноосном растяжении плоских поликристаллических образцов Fe-Cr-Ni. Для экспериментального исследования пластической деформации использована методика точного восстановления полей векторов смещений и вычисления компонент тензора пластической дисторсии с помощью спекл-фотографии с приростами общей деформации между экспозициями 0.001. Поле векторов смещений в целом по образцу в процессе нагружения неоднородно как по направлениям векторов смещений, так и по значениям, в некоторых областях вектора смещений немонотонно изменяют направления относительно оси растяжения. Установлено, что в интервале температур испытаний 140 < T < 340 K пластическое течение является локализованным на всех стадиях процесса. Появление фазы a′-мартенсита в процессе деформирования исследуемого сплава приводит к изменению механических характеристик, коэффициента деформационного упрочнения и параметров локализации деформации. Проведен анализ карт деформационных структур в виде пространственных распределений компонент тензора пластической дисторсии: локальных удлинений, сужений, сдвигов и поворотов. Показано, в области отрицательных температур области локализованной деформации при пластическом течении самоорганизуются на поверхности образца в специфический паттерн, морфология которого несет количественную информацию о кинетике пространственно-временнóй эволюции деформационных процессов. Контроль изменения компонент тензора пластической дисторсии с использованием метода спекл-фотографии позволил оценить коэффициент поперечной деформации в процессе растяжении. Установлен нелинейный характер изменения коэффициента поперечной деформации от уровня действующих напряжений. Общий вид и параметры эволюции компонент тензора пластической дисторсии указывают на связь данного процесса с самоорганизацией дефектной подсистемы в деформируемой сред и автоволновым механизмом пластичности. Учитывая то, что локализация деформации является важным критерием разрушения материала и корреляционную связь напряжений при квазистатическом нагружении с коэффициентом поперечной деформации, представляется перспективным использование данного коэффициента, определяемого с высокой точностью методом спекл-фотографии, для определения степени деградации материала.
Третья группа задач состояла в исследовании влияния температуры на акустические параметры (скорость и затухание ультразвука) при растяжении исследуемых сплавов. Акустические характеристики Fe-Cr-Ni сплавов длительное время являются предметом широкого исследования. Это объясняется, с одной стороны, тем, что они являются одними из основных конструкционных материалов криогенной техники, а с другой - большой научный интерес вызван особенностями ох низкотемпературной пластической деформации, связанными с мартенситным превращением. Поэтому возникает необходимость выявления корреляционных связей характеристик ультразвука, в частности, скорости его распространения, в металлах с физико-механическими характеристиками материала для широкого диапазона отрицательных температур. Понижение температуры испытаний приводит к снижению величины критической деформации, по достижению которой происходит зарождение и резкое увеличение скорости мартенситного превращения. Записанные первоначально в условных координатах «напряжение - деформация » индикаторные кривые растяжения преобразовывались в зависимости истинных напряжений от истинных деформаций с выявлением на них критических точек, которые находятся между пределом текучести и пределом прочности, и соответствуют переходу упругопластической стадии деформирования в стадию, связанную с появлением и накоплением микроповреждений в материале. Исследования изменения скорости ультразвука и коэффициента затухания в процессе растяжения сплава показали, что понижение температуры оказывает существенное влияние на акустические параметры в деформируемых образцах. Для прогнозирования ресурсных характеристик сплавов измерялась исходная величина характеристик повреждаемости материала до начала нагружения материала и скорость ее изменения на выбранном отрезке времени, далее проводилась аппроксимация по времени нагружения и экстраполяция зависимости до достижения предельного значения. На основании анализа результатов измерения можно оценить остаточный ресурс материала. В качестве параметра, определяющего ресурс материала, выбрана скорость распространения ультразвука в процессе нагружения.
Таким образом, в отчетном периоде выполнены все запланированные задачи и получены новые сведения о процессах макроскопической локализации пластической деформации и акустических характеристиках, измеряемых в процессе растяжения исследуемых сплавов с мартенситным превращением. Всесторонняя информация о состоянии деформируемого металла в условиях положительных и отрицательных температур позволила составить непротиворечивое мнение о природе неоднородности пластической деформации в рамках автоволновой теории пластичности. Комбинированное использование современного комплекса используемых "in situ" акустических и оптических методов исследования позволило существенно повысить информативность и точность опытных данных, что обеспечивает высокий уровень получаемых результатов, соответствующих мировому уровню.
По результатам выполнения работ по проекту за 2022 год опубликовано: 2 статьи (базы данных Scopus/РИНЦ):
Defect and Diffusion Forum, 419 (2022) 103-108 https://doi.org/10.4028/p-u3v418
PNRPU Mechanics Bulletin, 3 (2022) 1072115 https://doi.org/10.15593/perm.mech/2022.3.11